课件：自交的重要性.pptx

三种亲缘植物种的自主自交在防止杂交过程中的重要性,Rein Brys*, Jannick van Cauwenberghe and Hans Jacquemyn,2019,-,1,摘要,1，在能够自体受精的植物中，研究者们猜测自主自交是一种具有防止杂交的功能的作用机制。然而，只有很少的研究对不同的自交模式对总体物种间生殖隔离的相对和绝对贡献做了评估。因为当由亲缘关系更远的姐妹分类群作为父本时，自交种的后代的适合度代价会增大，所以可以猜想相比于杂交的远亲，在自交种中，合子后的屏障对生殖隔离产生的影响要更大。 2，为了研究不同自交模式阻止杂交的效率，我们在三种交配系统有明显区别的白金花物种（延迟自交的Centaurium erythraea，竞争自交的C.littorale，预先自交的C. pulchellum）间做了混合传粉实验。为了进一步研究自交对总体生殖隔离的影响，我们量化了六种物种组合三种合子前障碍（花期物候、传粉者忠诚度、花粉产量）和四种合子后障碍（播种，发芽，存活，花产量）的强度。 3，自主自交作为一种生殖屏障不能完全阻止基因扩散，这种防止异种传粉的机制的效率很大程度上取决于自交的模式，其中，预先自交是目前为止最有效的机制而延迟自交只在花末期对防止杂交起有限的作用。除了自交的预防作用，不同的传粉者忠诚度和花粉产量对总的生殖隔离也有着实质性的影响。 4，合子后的杂交代价很高而且在产生种子和发芽的过程中最为普遍，杂种优势的减少与母系的交配系统显著相关，在C. Pulchellum中减少最多，而在以杂交为主的E物种中减少最少。 5，综上，我们的研究结果表明自交能够阻止异种间的基因流动与杂交。综合考虑自主自交的能力与杂种优势，表明自交会增加合子后杂交的代价。,2019,-,2,前言,有性物种间完整性的保持取决于生殖障碍的程度，生殖障碍的程度又决定了它们之间总体的生殖隔离（RI）。(Mayr 1942; Schluter 2001; Coyne &Orr2004).在开花植物中，合子前隔离对总生殖隔离的影响通常要比合子后隔离的更重要。在没有地理隔离来阻止基因流动的情况下，花隔离是提供了RI的最重要的合子前障碍。存在差异的传粉者行为或者不同的花表型可以导致花隔离。对于后者而言，有学者认为，允许自交的这种花适应特征为防止杂交提供了有效的保护，进而促进了生殖隔离。然而，关于自交作为一种隔离障碍的功效和其对总RI的相对贡献的实验性证据依然很少。而且，因为自交的能力和时间存在巨大的差异，所以作为一种抑制杂交的机制，其功效也很可能是可变的。,-,图1：自主自交作用于异种花粉可落置在柱头表面并发生杂合受精的可能性的图解模型。三条彩色的曲线表示三种时间上不同的自主自交模式，在花发育阶段，自交何时发生：预先自交，竞争自交或是延迟自交。灰色的实线箭头表示一个假象的异种花粉携带访花者在花中期的介入，而三条灰色虚线表示在柱头表面已经完成自主自交授粉的可能性，从而减小异种花粉成功落置的风险。,-,而且，自交物种通常表现出低水平的杂合性，所以可以预计长期的自交会固定隐性等位基因和染色体重排，而当其表现为杂合体时，这会导致适合度的降低。即，当自交物种与亲缘关系较远的物种杂交时，上述理论会导致合子后的代价。所以可以预计在自交物种中合子后障碍对总RI的影响要比杂交物种中的大。为了验证这一假说，我们对龙胆科百金花属的三种近缘物种（Centaurium erythraea，C.littorale，C. pulchellum）的不同自交模式对RI的功效和影响以及合子后杂交的代价进行了评估。尽管这些物种在形态上非常相似，并且共享许多的传粉者，它们在自交模式上却有明显的差异(E物种为延迟自交、L物种为竞争自交，P物种为预先自交）。具体来说，我们首先用混合花粉进行实验性传粉，来评估不同自交模式防止杂交的能力，并计算出广义的自卫指数。然后，我们对一系列已知的能够影响百金花植物的RI的其他合子前合子后障碍的强度进行了评估。（花表型，传粉者忠诚度，花粉有效性，种子产量，萌发率，存活率以及花产量），并且比较了这些障碍对由自主自交产生的RI的绝对和相对的贡献。,-,材料与方法,研究物种和研究区域 研究在比利时沿海的三个样点进行，每一个样点， 一个研究总体中都能找到两个种。每一个研究总体的开花植物数量都足够进行观察和实验（500个个体）。 图2:2011夏在比利时沿海地带三个同域分布的种群中的百金花属的三种亲缘种（E,L,P）的花期物候图解。细线表示的是平均总开花时间（至少有一株植物开着花）。粗线表示平均的盛花期的时间（50%的植株开着花），竖线表示最多开花数量的时间。,-,合子前屏障,1、花期物候 三个样点每个里面选5个2mX2m的样方，记录了每个物种整个花期期间开花植株（至少开过一朵花）的总数，和盛花期持续的时间。由于花期的不同时性造成的RI由下列公式计算： 其中：指的是两种物种共同开花的时间占总开花时间的比例，指两物种没有同时开花的时间所占的比例,-,2、传粉者偏好 在盛花期（2013年7-8），研究者观察 了上述每个样方中的传粉行为。为期十天，每天10：00-14:00，每次20分钟，共18次。记录了所有可能的传粉者的种类，以及它们所访问的花的种类与访花次数。根据这些观察计算出每种昆虫对三种植物每种的总访花次数，并将它们分为“异种”（即种间共享的）和“同种”（特有的）传粉者。然后用linear quantitative framework计算RI的强度： H指在三种研究的物种中异种传粉者的比例，C表示同种传粉者的比例。,-,3、花粉产量的差别 除了开花的不同时性和传粉者偏好潜在影响，花粉产量也能作为一种生殖的屏障，因为它会改变运输到胚珠的花粉库中异种花粉与同种花粉的比例。我们用了Brys和Jacquemyn的花粉产量数据来体现不同种类花粉产量差异作为一种潜在屏障的影响。我们再次使用公式2来计算不同的花粉产量对RI造成的影响，并体现出其与每个物种花粉产量都相等的并且是随机交配情况下的期望值之间的差异，这里的H指花粉库有效的异种花粉的比例，C指有效的同种花粉的比例。 这里的H指花粉库有效的异种花粉的比例，C指有效的同种花粉的比例。,-,4、自身花粉的干扰 为了量化自主自交作为一种防止杂交的机制的功效，我们调查了在花期不同时期混合授粉的F1代中杂种种子的比例。在开花前两个月的时候（2013,5），从每一个样点中每种带回十株植物到温室里进行自由传粉。一旦植株开始开花，就对其用50:50的同种花粉和同一组中的异种花粉进行补充授粉。然后在每株植物中挑选12朵花在花期的不同时期进行人工授粉（1）开花的第一天，（2）花期的中部，（3）花期末，（后面分别表述为早期，中期，末期），这其中一半的花是完整的，而另一半是去雄花（后面表述为“花处理”）。种子成熟后，混合每种处理的种子，取数量为50的样本在四个月后种下。然后对每种组合，我们调查了杂种植株的比例，并且比较了同种花粉处理的完整花和去雄花的杂种形成比例。为了检验授粉处理（完整花上的混合授粉对比去雄花的），授粉时间（早期，中期，晚期）以及这两种因素的交互作用是否能够显著影响杂合种子的比例，我们分别对每一组物种组合使用了广义线性混合模型进行分析，并把模型中的植株作为随机因素。,-,E母本父本 母本父本 母本父本 。,完整花,去雄花,早 中 晚,早 中 晚,-,为了评估自交在花期中某一时刻t的自我保护指数（SP），我们用下面的公式： 那么两物种间在整个花期中总的SP就可以用下面的公式计算： 这个等式里f（t）是描述SPt关于时间变化的函数，T是总的花期时间，SPtotal可以表示整个花期中同种花粉产生的种子的比例（C）,那么异种花粉产生的种子的比例就是H=1-C。基于这些计算，每对物种组合中自主自交造成的RI就可以用等式2求得。,-,合子后屏障强度的评估,1、种子产量以及杂合体适合度与亲本适合度的比较 我们对每一对物种组合，在植株整个生存期的四个阶段，对比了F1代杂合体的性能与纯合体的性能。包括结种，发芽，存活以及花产量。2012,5月每种物种移栽10株到温室，到开花期（7月），每个植株上选取3朵花（去雄蕊）进行人工授粉，2朵上分别授2种异种花粉，1朵上授同种花粉。种子产量通过计算种子数与总胚珠数之间的比例而进行量化。 我们混合了每种母本的每种组合的种子，从其中取三个含50颗种子的样本重复，种进花盆里。2012年12月，将这些花盆放入生长室里（8:16的光照周期，12-25），每隔两周浇一次水并观察一次发芽情况。四个月之后（三月末），记录了总的萌发率和存活率。 然后从后代中选取5株长势最好的移栽到单独的花盆中。每月查看两次。在P作为母本的那些物种组合中，F1代植株在第一个夏天（2013,7）萌发后接着开花，而其他物种作为母本的那些植株则在第二个生长季才开始开花（2014,7），在开花后，就可以确定总的存活率（即种子的平均存活率*移栽后开花的存活率）和剩余的每一株F1的花产量。,-,我们计算出了每种组合的四种适合度的平均值（种子产量，萌发，存活和花产量），并用线性混合模型检验了每种组合的父本和母本和其相互作用是否对F1代的种子产量，萌发率和花产量有显著地影响。用卡方检验验证了F1代杂合体的存活率与F1代纯合体的存活率是否有显著不同。最后，用上述的公式2计算出了这四种合子后屏障各自的强度，其中H指杂合后代适合度而C指自交后代适合度。,-,2、总生殖隔离和屏障作用的相对贡献的计算 每种组合的总生殖隔离用下面的公式计算： 其中S指的是共同开花的时期，U指不同时开花的时期，H和C分别指异种和同种的作用，在计算RI的整个过程中都要考虑这两个因素，包括同时开花的 时间（Hs，Cs）和不同时开花的时期（Hu，Cu）。 计算所研究这些屏障各自对生殖隔离的绝对贡献（ACi）的公式： 每种屏障对总生殖隔离的相对贡献（RCi）用下面的公式计算：,-,结果 合子前屏障,1、花期物候 三种百金花属的物种的花期从6月末开始到9月末结束（图2 ），E是最先开花的物种并且花期最短，（平均开花67天，在7月8日达到花期顶峰），L物种平均开花73天，7月11日到达顶点，P物种平均开花74天，8月9日达到顶点）。总的来说，三个种的花期重叠程度很大，因此使得其屏障强度相对较低（最低的是0.030的E母本L父本的组合，最高的是0.284的P母本E父本组合）。,-,2、传粉者偏好 在观察所研究的百金花属期间，总计记录了519次昆虫的访问。其中大部分（68.8%）是在E的花上观察到的，L上观察到24.9%，P上观察到7.3%。共计25种昆虫中，大部分（87.5%）是收集花粉的食蚜蝇，大都是细扁食蚜蝇，细腹食蚜蝇，或斜斑鼓额食蚜蝇。其他访花者被观察到的频率很低，大部分是一些小蝇类（7%）,一些蜜蜂和熊蜂（4%）,偶尔有一些蝴蝶（2%),结果是屏障强度从最小的P母本E父本组合的0（传粉者类群完全重叠）到最大的EP 的0.545。 3、花粉产量的差异 因为每个物种每朵花上所产的花粉数显著不同（E，L，P的平均数分别为1019507197，,373755835,200263518，data obtained from Brys & Jacquemyn 2011),，每一种物种组合在这个阶段的隔离强度具有高变异和对称性。范围是-0.672到0.672。,-,4、自花授粉的干扰 总体上，50:50花粉处理过的完整花产生的种子中杂合种子的比例比去雄花中的比例低625%。其中减少最多的为P物种（85.3%），L中平均减少65.9%，E中减少最少，平均36.2%。在以P作为母本的实验中，杂合种子的比例显著地受授粉处理的影响（F1,547.54，P0.008）在E与L作为母本的实验中，授粉处理和授粉时间都对杂合体的形成有显著的影响（F2，544.76，P0.033）。 而且，正如文中所提到的授粉时间与授粉处理之间的显著的交互作用一样，随着花年龄的增大，其阻止杂交发生的能力就越强。(F2,54 4.58; P 15.27; P 0.0001),，其中P通过自主自交防止杂交的能力最强而E的最弱（图3）。另一方面，花粉的供体对总SP没有显著影响(F2,162 = 0.63; P = 0.533)。授粉时间对总SP有显著的积极影响(F2,162 = 62.07; P 0.001; Fig. 3)并且与母本种类有显著的交互作用(F5,162 = 3.65;P = 0.028)。E、L、P作为母本在各个物种组合中自主自交所造成的 RI平均值为分别为-0.325，L的为0.342，P的为0.709）。,-,图3；不同花期自主自交造成的平均自我保护指数的种间差异。,-,合子后屏障,1、杂合体适合度与纯种体适合度比较以及它们对合子后隔离的贡献 （1）对每种组合来说，其种子产量都显著地受母本、父本以及其相互作用的影响（表1）。相比于自交来说，杂交种产生的种子数量要明显的更少（平均减少40.9%）。当P物种作为母本的时候这种减少作用最强（大于55%的减少），而当E物种作为母本时减少作用最弱（14%）。这些种子产量的差异造成的生殖屏障作用的强度介于0.027-0.500之间。 （2）母本种类和母本父本间的交互作用显著影响萌发率，但不受父本成分的影响。整体上，F1代中杂交种子的萌发率要显著低于纯种种子的萌发率。当P为母本时，杂合种子的发芽能力减少的最多（大于83%），而当E为母本时其减少得最少（小于40%）。发芽能力降低造成的生殖屏障的强度范围为0.152-0.792。 （3）F1代杂合体和纯合体的存活率有显著差异(Xv2 = 25.99; P = 0.001)，除了E为母本P为父本的这对组合外，其他组合的F1代杂合体的死亡率都比纯合体的低。，杂合体中，P母本E父本组合的存活率最高，L母E父本组合的最低。其造成的生殖隔离强度范围为-0.011到0.685。 （4）最后母本与父本的种类显著地影响花产量（表1），除了L母本E父本、P母本E父本这两个组合，杂合体的花产量显著小于纯合体的花产量。总体上花产量不同造成的生殖隔离强度较低（平均0.024）。,-,表1，用E,L,P三个物种，通过双因素方差分析的方法分析的父本，母本以及其相互作用对种子量，萌发率，花产量的影响的结果。,-,对总生殖隔离的贡献,所研究的百金花属物种间的平均总生殖隔离指数为0.918，L母本E父本组合的最低（RI=0.788），P母本L父本的最高（RI=0.983）（图4）。每种屏障对总RI的相对贡献率从-0.507到0.627不等。传粉者忠诚度和自主自交的贡献最高（图4）。,-,图4：三个研究物种相互互交的八种同域屏障对总RI的相对贡献a）E-L、b)E-P、c)L-P。图中的线表示前面研究的各种隔离机制对总RI的累积作用。,-,讨论,1、普遍认为自主传粉是一种保障传粉的机制，确保植物在严峻的花粉环境下可以成功生殖，我们的混和传粉实验明确的表明了自交防止异种花粉落置在柱头上。然而这种保护作用的功效受自交模式的影响， 预先自交要远比延迟自交的保护作用强，延迟自交只能在花末期提供有限的保护作用。在预先自交的P物种和竞争自交的L物种中观察到的高水平的保护作用是由于自花花粉的优先落置和柱头堵塞。 2、除了自交对杂交的抑制作用外，传粉者忠诚度和花粉产量的差异也对总RI有所贡献，且通常认为合子前的隔离屏障对总RI的贡献作用要比这之后的屏障的作用更大(Schemske 2000; Ramsey, Bradshaw Bryset al. 2014)。不同的传粉者在花粉摄取和花粉沉积上有差异，而这些差异能够决定植物的花表型，可以假设这进而会影响植株的杂交。然而在这次研究中并没有考虑这个因素，但在以后的研究中会涉及到。,-,、除了合子前屏障对异种花粉流动可能性的累积影响外，我们同样发现了许多合子后代价，其中最普遍的是种子生产和成功发芽。这些发现验证了之前对其他相关物种所进行的研究，尽管这其中许多例子中合子后屏障对RI的相对贡献很小(Ramsey,Bradshaw Presgraves2002)还是植物(Jewell et al. 2011)，两物种间的遗传距离与他们之间的生殖隔离强度有正相关关系。在我们的百金花属中，P物种是在14.2百万年前由于E物种和L物种密切相关的分支分化而来的(Mansion